Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển được ghép nối với máy tính, có khả năng xử lý với độ chính xác cao, thời gian thu thập ngắn, hơn nữa có khả năng tự động hóa việc thu thập s
Trang 1GHÉP NỐI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ VỚI MÁY TÍNH VÀ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN
ThS Hoàng Phụng Hịch
Trường CĐSP Hà Nội
Việc áp dụng máy vi tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển là một hướng của sự phát triển công nghệ thông tin
Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển được ghép nối với máy tính, có khả năng xử lý với độ chính xác cao, thời gian thu thập ngắn, hơn nữa
có khả năng tự động hóa việc thu thập số liệu và xử lý kết quả đo kể cả lập bảng thống kê cũng như in kết quả Vấn đề đưa máy tính vào cải tiến thí nghiệm vật lý làm xu hướng nhiều ưu điểm:
• Sử dụng trong tự động hoá đo đạc, hạn chế sai số đo phản xạ của người làm thí nghiệm trong quá trình đo
• Quá trình vật lý thường gắn với quá trình đo thời gian, với đồng hồ thường độ chính xác chỉ đạt tới 0,1s với đồng hồ bấm giây, và 0,01s với đồng hồ điện tử, nhưng với máy vi tính bằng cách truy nhập vào thời gian
hệ thống có thể đạt tới 0,01s và nếu trang bị vi mạch đếm thời gian thì độ chính xác có thể đạt tới 10-3 –10-5 s
• Máy vi tính không chỉ xử lý các tín hiệu số mà xử lý các đại lượng vật lý tương tự Các tín hiệu tương tự như nhiệt độ, điện áp, dòng điện … có thể chuyển về tín hiệu Dizital để xử lý bằng bộ biến đổi A/D
• Sau khi thu thập các số liệu, chương trình phần mềm sẽ xử lý nhanh chóng, rõ ràng và đầy đủ số liệu và đưa ra kết quả
Với lý do đó, trong nội dung bài viết này đề cập tới thiết kế một số mạch ghép nối ứng dụng trong ghép nối thí nghiệm vật lý với máy tính và với mạch vi điều khiển
Trang 2I- GHÉP NỐI THÍ NGHIỆM VỚI MÁY TÍNH:
Trong các thí nghiệm vật lý thường có hai loại: đo thời gian xảy ra trong một quá trình vật lý và khảo sát sự biến đổi của các đại lượng vật lý Trong bài viết đề cập tới hai mạch điện đáp ứng các yêu cầu trên các mạch ghép nối này được ghép với cổng máy in, do vậy dễ dàng tương thích với các mức điện áp của linh kiện điện tử loại TTL
1- Đo thời gian xảy ra trong một quá trình vật lý.
Sơ đồ thiết kế mạch gồm 4 mạch điện chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện được nối với cổng máy in, và một mạch điều khiển rơ le (hay nam châm điện) dùng điều khiển thiết bị bên ngoài
Hoạt động của mạch: mỗi khi có vật chắn sáng qua các cảm biến quang điện, tín hiệu điện tương ứng được chuyển tới máy tính, máy tính sẽ ghi lại thời điểm đó bằng đồng hồ hệ thống Tuỳ theo từng bài thí nghiệm sử dụng số cảm biến khác nhau, chương trình sẽ hiển thị kết quả thời gian vật chắn sáng qua một cảm biến hay thời gian vật di chuyển từ cảm biến này sang cảm biến khác
Mạch điện này áp dụng được cho các bài thí nghiệm :
• Đo gia tốc trọng trường bằng phương pháp rơi tự do
• Đo gia tốc trọng trường bằng con lắc thuận nghịch
• Nghiệm lại các định luật chuyển động trên máy Atút
• Khảo sát vận tốc truyền sóng trên dây đàn theo chiều dài và lực căng dây
2- Biến đổi ADC (chuyển tín hiệu điện tương tự thành tín hiệu số)
Biến đổi ADC là một khâu quan trọng, là cầu nối giữa máy tính với các đại lượng điện (điện áp, dòng điện) hay không điện (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng ) Có nhiều vi mạch chuyên dụng chế tạo để thực hiện yêu cầu này Trong bảng mạch thiết kế dùng vi mạch DAC 0808 để số hoá tín hiệu tương
tự bằng phương pháp so sánh Với vi mạch này mỗi tín hiệu điện được mã hoá bởi 8 bít nên độ chính xác đạt tới 0.4% Mạch điện gồm một IC đệm dữ liệu
Trang 3ứng với 4 kênh đầu vào và một cổng quang điện dùng cho các ứng dụng khác, nguồn điện cung cấp cho các linh kiện trong mạch được ổn áp ở các mức ±9V
và 5V
Sơ đồ khối mạch ADC
Trong thiết kế, biến đổi ADC có thể đo đồng thời 4 kênh, trong đó có ba kênh vào tín hiệu được khuyếch đại một chiều trong khoảng 20-200 lần Zắc nối tín hiệu vào đều có nối với nguồn nuôi 5V, thuận lợi cho ghép các mạch
đo lường khác vào bảng mạch
Mạch thu thập các số liệu điện hoặc không điện chuyển thành tín hiệu tương tự và qua mạch ghép nối chuyển thành tín hiệu số (ADC) và được đưa máy vi tính xử lý số liệu và hiển thị
Mạch ghép nối này áp dụng được cho các bài thí nghiệm :
• Khảo sát quá trình chuyển trạng thái của băng phiến
• Nghiệm lại định luật Malus về hiện tượng phân cực ánh sáng
• Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa…
Các bài thí nghiệm dược viết bằng ngôn ngữ Delphi, ngôn ngữ này tương
tự như ngôn ngữ Paxcan và dễ dàng kết hợp với ngôn ngữ Assembly dùng cho truy nhập cổng Giao diện của mỗi bài thí nghiệm khá thân thiện, có hướng dẫn thực hiện các thao tác thực hành, số liệu cần đo được tiến hành một số lần, khi phù hợp mới được nhập vào bảng số liệu với giá trị trung bình Kết quả bài thực hành được hiển thị bằng kết quả hay đồ thị cần khảo sát Các thí
Slot
máy
tính
Mạch đệm
dữ liệu
Mạch biến đổi DAC
Mạch biến đổi thành tín hiệu điện
Cảm biến SS
Trang 4nghiệm này có thể dùng làm thí nghiệm thực hành hoặc thí nghiệm chứng minh
II- GHÉP NỐI THÍ NGHIỆM VỚI MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN:
Hiện nay, sự phát triển về công nghệ đã đạt được ở mức độ cao Các mạch
vi điều khiển ra đời có chức năng như một hệ vi xử lý nhỏ, nhưng lại có nhiều tính năng ưu việt: nhỏ gọn, số cổng giao tiếp với thiết bị ngoại vi nhiều, đặc biệt có các bộ đếm dùng đo thời gian của các sự kiện đạt độ chính xác tới 1 µs
Sử dụng các mạch vi điều khiển chế tạo các thiết bị đo lường trong thí nghiệm vật lý đạt độ chính xác cao mà giá thành thấp Trong phần trình bày đề cập tới một số ứng dụng của mạch vi điều khiển 8051 đo thời gian diễn biến của các quá trình vật lý:
• Sử dụng mạch vi điều khiển và với các cảm biến quang học làm dụng
cụ đo thời gian với độ chính xác 1ms
• Sử dụng mạch vi điều khiển đo tần số dao động của mạch xoay chiều
Trang 5KẾT LUẬN Việc ứng dụng máy vi tính và các mạch vi điều khiển vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đem lại những kết quả đầy ưu việt Các thiết bị, hệ thống
đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, và hơn nữa còn tự động thu thập và xử lý kết quả đo nhanh và chính xác, ứng dụng này rất có hiệu quả trong thí nghiệm Vật lý
Mặt khác, việc tiếp cận với kỹ thuật đo lường và điều khiển đã được thể hiện trong các học phần cấu trúc máy tính và thiết bị ngoại vi của các ban đào tạo Vật lý và Công nghệ thông tin trong các trường Sư phạm Việc thiết kế các bảng mạch để sinh viên thực hành viết chương trình đo lường và điều khiển giúp sinh viên lĩnh hội được kiến thức dễ dàng hơn và bước đầu tìm hiểu những ứng dụng của kỹ thuật ghép nối máy tính cũng là một yêu cầu cần thiết
Thiết kế các bảng mạch để xây dựng các bài thí nghiệm vật lý, các bài thí nghiệm kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số, hay thiết bị ngoại vi phục vụ giảng dạy các ban Vật lý hay Điện tử -Tin học là một giải pháp đổi mới phương pháp dạy và học, rất mong nhận được các ý kiến trao đổi của các bạn đồng nghiệp
Hà nội, tháng 1 năm 2007
